应对不断发展的烟雾安全法规的现代解决方案

本技术文章介绍了软件和数据方面 的CN-0537烟雾参考设计，经过设计和测试，可满足 UL 217 第 8 版中概述的规格。它是通过分析设计的 研究在承销商烟雾测试设施收集的火灾数据 实验室（UL）和Intertek Group plc。这些测试设施和测试程序符合UL 217住宅烟雾规范 警报。该参考设计使用 ADPD188BI 集成光学传感器 （带 LED 和光电二极管）以及设计用于感应的优化烟室 并使用单个校准设备测量烟雾颗粒。重要的是， 参考设计还包括经过 UL 217 测试和验证的烟雾探测 算法，以方便客户缩短其产品开发生命周期和 更快地交付最终产品设计。

ADPD188BI 烟雾传感器

自 1970 年代以来，烟雾探测器在商业和 住宅。目前存在两种基本类型的探测器 - 电离 类型，使用放射性物质电离空气并检查电不平衡;和光电类型，它使用针对 远离光电探测器的角度并检查光电探测器电流是否引起 通过从空气中的颗粒反射到光电二极管的光。

虽然建议使用两种类型的组合解决方案，但光电 烟雾探测器更受欢迎，因为它在检测普通房屋火灾方面提高了可靠性，并且对阴燃火灾的响应时间更快。

图2所示的ADPD188BI光学模块是一个完整的光度测量系统 专为烟雾探测应用而设计。使用ADPD188BI代替传统的分立式烟雾探测器电路，大大简化了 设计为光电子学（由两个LED和两个光电探测器组成） 模拟前端（AFE）已经集成到封装中。要执行 烟雾检测，ADPD188BI采用双波长技术：两个集成LED发射两种不同波长的光;一个在 470 nm（蓝光）和 另一个在 850 nm（红外光）。这些 LED 在两个独立的时间内脉冲 插槽，透射光通过微粒散射回设备上 空气中的物质。

图2.ADPD188BI和烟室的横截面。

然后，两个集成的光电探测器接收散射光并产生成比例的输出电流水平，这些输出电流由AFE在内部转换为 数字代码。假设LED光功率保持恒定，则 ADPD188BI 输出值随时间推移表示空气中颗粒物的积聚，如 如图 3 所示。

图3.来自 ADPD188BI LED 的光反向散射。

ADPD188BI的烟雾响应最好表示为接收到的比值 光功率到发射的光功率。称为功率传输 比率 （PTR），以 nW/mW 表示，此参数是一个更有意义的值 比原始输出代码，因为它独立于实际使用的硬件设置。至于配置传感器以转换其输出所涉及的步骤 有关PTR值，请参阅此处提供的应用说明。

发光二极管温度补偿

ADPD188BI的响应受环境温度的影响。对于 蓝色通道，这更加复杂，因为温度的形状 响应曲线也可能因使用的 LED 电流量而异。为 红外通道，温度响应曲线与LED电流无关。

为了确定相对响应的值，测量环境的能力 需要实时温度。在CN-0537上，ADPD188BI旁边的温度和湿度传感器监控腔室内的条件。 选择传感器时，组件尺寸是主要考虑因素 因为腔室内的空间非常宝贵。

通过腔室内的实时温度值，温度补偿在软件中通过在整个操作过程中获取相对响应来完成 器件的温度，并将其乘以从器件读取的原始数据。 这为我们提供了可用于计算 PTR 响应。相对响应系数保存在内存中的静态表中 用于红外 LED 和蓝色 LED 补偿数据。从 设备，应用程序读取温度传感器和蓝色 LED 电流 找出使用哪个表和相对响应系数。表格更接近 使用LED电流电平，指数值计算如下：

哪里：

index 是表中相应元素的索引

温度是当前温度

粒度是 相对响应表;例如，如果比率相距 5°，则粒度 将是 5

此方法使用零阶插值来补偿设备数据 相对响应表。这样做是为了提高功率和时间效率。如果需要更高的精度，粒度可以更小，并且一阶或二阶插值 可以做到，但代价是功耗和处理器周期。

UL 217 标准和测试方案概述

与烟雾探测器技术类似，住宅消防安全法规也有 自 1970 年代以来，尽管电子学和 几十年来常见的家居用品。标准的新修订，例如 作为 ANSI/UL 217 和 ANSI/UL 268，由美国保险商实验室 （UL） 发布，或 NFPA R 72国家火灾报警代码，由国家消防局发布 （NFPA），旨在通过对现代提出更复杂的要求来解决这一差距 烟雾探测器设计。UL 217标准文件可以从这里购买。

例如，除了传统的火灾和烟雾敏感性测试外，最新版本的UL 217标准现在要求烟雾探测器不产生 在烹饪等滋扰事件期间误报。所以现代烟雾探测器必须 能够区分烹饪滋扰事件和火灾事件。

这些新标准的目标是通过减少数量来提高安全性 与火灾有关的死亡人数，同时减少日常活动中产生的误报数量。传统上，这将需要一个复杂的 具有多种传感器技术和一定程度的人工智能的解决方案; 但是，使用ADPD188BI使其实现起来更加简单。ADPD188BI是一款集成光学模块，具有多个LED传感器 专为烟雾探测而设计。

要使任何烟雾探测器成为商业产品，它必须通过认证。在美国，这主要是UL 217。该规范重点介绍了火灾或烟雾事件的几个测试场景，每个测试单元都需要通过这些场景。该规范的更新版本将于 2021 年生效，这将需要额外的 要通过的测试，从而使获得认证变得更加困难。

图4.CN-0537的物理定向灵敏度测试。

传感器检测性能由两个主要测试类别决定：灵敏度测试和基于场景的测试。敏感性测试侧重于 来自不同物理方向和环境条件的警报触发器。一 其中一项测试的示例来自 UL 42 第 217 节，其中烟雾被送入 以通用速率测量腔室，并测量报警时间和遮蔽水平。 对设备的八个方向和多个单元重复此操作。一 示例设备如图 4 所示，其中所有八个烟雾接近透视 被标记。这些测量值不能超过50%之间的变化 以及所有角度中最不敏感的单位。为了使此测试更加困难， 相同的装置也在极端温度和湿度下进行测试，以验证它们 保持其一致性。

基于场景的测试涉及不同的火源以及不同的约束 应用于不同的测试。

火源	报警时间规格	报警遮蔽规格
阴燃木材		10%/英尺之前
阴燃聚氨酯		12%/英尺之前
汉堡		不早于1.5%/英尺
纸	距离测试开始不到 4 分钟
燃烧的PU	距离测试开始不到 4 分钟	5%/英尺之前
汉堡包和聚氨酯	距离测试开始不到 4 分钟	不早于1.5%/英尺

根据 UL 217 8千版本，引入了一个新方面来添加滋扰来源 与传统火源。这可以防止简单的阈值设置 烟雾水平，因为在这种情况下会过早触发警报。 图 5 的烟雾剖面显示了这种情况的一个示例，其中 观察到初始峰值，并观察到第二个斜坡趋势。这是配置文件 滋扰加上有效烟源，最初对滋扰火灾进行建模 其次是真正的火灾情况，即要发出警报。基于 UL 217规定的规范，合格的探测器直到之后才会报警 烟雾已达到初始水平 L1，但在指定的时间之前， T1 已发生，但尚未达到一定的烟雾水平 L2。这些结合在一起 因素根据这些要求创建警报窗口。这些要求 测试火源之间也不同，但必须由相同的处理 不知道源火的设备。这些方案的汇总表是 表 1 中提供。

图5.CN-0537的测试角度。

CN-0537 烟雾探测算法设计方法

研究火灾数据收集

为了正确模拟零件变异和测试变异，ADI公司设计了 并构建了带有四个和八个 ADPD188BI 烟雾传感器的 PCB，安装在 表面以及必要的MCU电缆，以方便数据收集。 在每次烟雾测试期间，除了一个传感器外，所有传感器都配备了一个腔室。

因此，许多传感器在UL和UL的尽可能多的火灾中进行了测试。 天祥的测试设施。因此，每个审判对应于任何一项 UL 217 确定的烟源由多个委员会记录 并同时通过多个烟雾传感器。天花板的示意图 Intertek的烟雾测试设施显示安装了ADPD188BI烟雾的PCB 传感器如图 6 所示。描述测试设施的总体布局 整个测试设置的各个组件如图7所示。请注意，pods 1， 2 和 3 位于天花板上，而吊舱 4 和 5 位于墙壁上。

图6.ADPD188BI PCB 吊舱安装在天花板上，用于 UL 217 烟雾测试。

图7.符合 UL 217 标准的烟雾测试设施布局。

了解研究火灾数据

我们现在看看在 （汉堡包）滋扰测试火灾事件。这些功能可作为隔离烟源的特征，从而有助于烟雾探测器算法的设计

在图 8 所示的滋扰火灾的情况下，UL 217 要求 当相应的遮挡参考时，滋扰火灾被扑灭 达到 1.5%，随后，在引发聚氨酯 （PU） 火灾时，会遮挡 可以使用位于17'外的光束收集参考。从图 8 中可以看到这一点， 在 1100 秒标记附近，蓝色 LED 和 IR 的响应 由于滋扰火灾被扑灭，PD开始下垂。从那时起 上，响应完全是由于PU火灾。

图8.2020 年 2 月在 Intertek 使用 Pod A 和设备 2 进行的试验 1 的汉堡 PU 烟雾剖面。请注意，遮光参考以百分比/英尺为单位，而传感器响应以 nW/mW 为单位。

请注意，在此期间，吊舱始终位于距离火源 10 英尺的地方 测试，因为这是测试的滋扰方面的要求。因为 该测试的火焰PU方面指定为17'，遮挡参考 数据是将来自两个不同光束的数据拼接在一起以确定的结果 如果满足要求。还可以观察到，虽然滋扰 火具有慢燃火的特点，PU火速捕。

算法约束和设计

在处理用于烟雾检测的ADPD188BI传感器数据之前，传感器偏置 需要计算并从 PTR 数据中删除。传感器偏置是 每个器件都是腔室公差、长期 LED/PD 漂移、 灰尘或其他污垢堆积等。此外，其长期行为受到以下因素的影响 各种因素，如环境湿度、温度、老化等。传感器偏置也 在很长一段时间内变化，因此需要长时间跟踪 时间。因此，任何假设平均数据为零的烟雾探测器算法 没有火灾事件并采用ADPD188BI需要定期计算 传感器偏置，随后将其从捕获的数据中移除。

此外，优化算法计算的数量，因此， 优化算法消耗的系统功耗也是一个重要因素 设计决策。可选的窗口平均预处理功能由 ADPD188BI是这一决定的因素。此步骤提高了数据中的信噪比 系统功率费用，并在应用任何烟雾检测之前执行 算法。在我们的研究中，我们能够在不将此步骤纳入算法的情况下实现 UL 217 合规性。此外，在我们的设计中，我们利用了大约6秒间隔捕获的样本，从而大大优化了系统。 用于算法计算的功率。有兴趣的客户谁想要 要合并此功能，请参阅此文档。

如前所述，快速捕获和缓慢燃烧的烟雾剖面的对比性质是设计烟雾探测的动机 算法。ADI的烟雾探测器算法基于处理PTR样本 作为时间序列数据，并在需要报警时及时识别实例 在观察到时间序列数据中的某些关键事件时发出声音。ADI提供 大约 1500 种符合 UL 217 标准的算法调整参数组合 参考光束遮挡水平和报警时间要求在不同范围内 成功率取决于所考虑的烟源。

CN-0537 烟雾检测算法性能结果

算法调优

在本节中，我们将讨论通过应用 CN-0537 烟雾探测算法，用于研究在 UL 认证下收集的火灾数据 实验室。此过程还涉及调整CN-0537烟雾检测 算法参数使得一大组调谐参数组合 可供客户选择，已通过 UL 217 合规性，但成功率不同。汉堡滋扰阴谋 图9中将作为示例烟源来描述性能 一般算法的各个方面。

图9.汉堡PU测试的参考光束遮蔽水平。

在图9中，参考光束遮蔽水平的上限和下限 显示了 UL 217 规定的汉堡 PU 测试。遮蔽级别 还显示了算法引发警报时的参考光束。这里的 x 轴 图描述了调谐参数的组合索引。

因此，对于给定的 x 轴索引，调整参数的相应组合已应用于所有数据文件，并且获得的结果是 分类。如图 9 所示，而调优参数的所有组合 使算法符合UL 217，报警时间之间的余量 遮蔽水平和目标遮蔽水平可以非常接近。此外 可以观察到，虽然调整参数的组合可能会提供 对于某些烟源有足够的余量，它们可能会导致关闭呼叫 别人。因此，调整参数的选择必须通过会计进行 适用于所有烟源。

例如，我们从图 9 中看到，UL 217 规定算法 报警低于参考光束遮挡水平 5% 和高于 1.5%。对于一个 给定调谐参数组合 — 例如，索引 500 和所有阴燃 汉堡和PU测试——所有汉堡和PU火灾中最大的遮蔽度 算法发出警报的数据集约为 4.7%;也就是说，在 规定的水平。同样，所有汉堡中最小的遮挡程度 发出警报的滋扰火灾数据集约为2%。这 变化主要是由于进行测试时的变化是由 技术人员或由于烟雾剖面本身固有的随机性来自一个 测试到另一个。

UL 217 测试结果

在使用研究火灾数据集进行算法设计和调整后，该算法通过了 UL 217 合规性测试。天祥测试结果摘要 使用CN-0537烟雾检测算法如表2所示，以及 详细报告可在此处获得。请注意，尽管 EVAL-CN0537-ALGO 是 经过测试和验证，通过了 UL 217 8千版本防火测试，主要用于 方便客户专注于创建最终产品的更大任务。 换句话说，即使使用ADI开发的算法，客户 仍然需要根据UL对其最终产品进行全面认证 217标准。另请注意，只有 UL 217 的烟雾探测器方面 经过测试和验证，而不是 UL 217 的其他部分，例如那些重点部分 在机械方面，电池寿命等。

测试	UL 217 8千版本部分	结果
方向性	43	通过
敏感性	42	通过
UL：纸火	51.2	通过
UL：木火	51.3	通过
UL：燃烧聚氨酯泡沫测试	51.4	通过
UL：阴燃烟雾测试	52	通过
UL：阴燃聚氨酯泡沫测试	53	通过
UL：烹饪滋扰烟雾测试	54	通过
UL：通过/不通过燃烧PU泡沫测试	54	通过
速度灵敏度	44	通过
可变环境温度（0°C 和 49°C）	62	通过
湿度	63	通过

ADI解决方案选项

为了满足不同客户的需求，提供了多种解决方案。 可用并在图 10 中进行了总结。硬件是Arduino外形 兼容，旨在加速原型设计和评估 嵌入式烟雾检测算法。硬件由EVALCN0537-ARDZ参考设计组成，该设计在CN-0537电路笔记和 支持EVAL-ADICUP3029微控制器板。数据 （EVAL-CNO537- DATA） 软件包提供广泛的烟雾数据集，通过 UL 217 认证 为希望开发自己的算法和CN-0537的人提供的设施 不包括检测算法的源代码。算法 （EVAL-CN0537-ALGO） 软件包包括数据包中的所有内容以及经过 UL 测试和验证的烟雾检测算法以及相关的算法项目文件。

审核编辑：郭婷